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氮化硼新能源汽車中的應(yīng)用

文章出處: 天元航材    責(zé)任編輯: 天元化工新材廠家    發(fā)布時(shí)間:2020-02-18 16:33:55    點(diǎn)擊數(shù):133    【
[導(dǎo)讀]: 導(dǎo)熱膠應(yīng)用在動(dòng)力電池組裝中對(duì)提升動(dòng)力電池性能和安全性,在多個(gè)方面發(fā)揮作用。導(dǎo)熱膠的使用目的大體分為四類:(1)固定、(2)傳熱、(3)阻燃、(4)防震,而導(dǎo)熱膠的具體使用形式主要為:(1)墊片、(...

一、動(dòng)力電池導(dǎo)熱膠

導(dǎo)熱膠應(yīng)用在動(dòng)力電池組裝中對(duì)提升動(dòng)力電池性能和安全性,在多個(gè)方面發(fā)揮作用。導(dǎo)熱膠的使用目的大體分為四類:(1)固定、(2)傳熱、(3)阻燃、(4)防震,而導(dǎo)熱膠的具體使用形式主要為:(1)墊片、(2)灌封、(3)填充等。

在熱設(shè)計(jì)中往往需要考慮電池充放電功率與發(fā)熱量和散熱能力之間的平衡問題。鋰電池的性能對(duì)溫度極其敏感,獲得適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟?,?duì)充分發(fā)揮電池性能,維護(hù)合理電池壽命都有重要意義。合理選擇熱傳遞介質(zhì),不僅要考慮其熱傳遞能力,還要兼顧生產(chǎn)中的工藝、維護(hù)操作性、優(yōu)良的性價(jià)比等因素。(如圖1所示動(dòng)力電池)                                                    
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電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池

 

二、導(dǎo)熱膠的組成與導(dǎo)熱機(jī)理

導(dǎo)熱膠主要由EP(環(huán)氧樹脂)、有機(jī)硅橡膠和PU(聚氨酯)等樹脂基體和導(dǎo)熱填料組成。導(dǎo)熱填料的種類、用量、幾何形狀、粒徑、混雜填充和改性等對(duì)導(dǎo)熱膠之導(dǎo)熱性能都有影響。

導(dǎo)熱膠的導(dǎo)熱原理固體內(nèi)部導(dǎo)熱載體主要為聲子或者電子(在介電體中,導(dǎo)熱是通過晶格的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的,晶格振動(dòng)的能量是量子化的,這種晶格振動(dòng)的量子稱為聲子)。無機(jī)非金屬晶體通過排列整齊的晶粒熱振動(dòng)導(dǎo)熱,通常用聲子的概念來描述;由于非晶體可看成晶粒極細(xì)的晶體,故非晶體導(dǎo)熱也可用聲子的概念進(jìn)行分析,但其熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于晶體;大多數(shù)聚合物是飽和體系,無自由電子存在,因此,在膠粘劑中加入高導(dǎo)熱填料是提高其導(dǎo)熱性能的主要方法。導(dǎo)熱填料分散于樹脂基體中,彼此間相互接觸,形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),使熱量可沿著導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)迅速傳遞,從而達(dá)到提高膠粘劑熱導(dǎo)率的目的,如圖2所示。

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2填料形成網(wǎng)絡(luò)和沒有形成網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)熱膠導(dǎo)熱示意圖

 

三、六方氮化硼(h-BN)材料的特性

氮化硼(BN)是由氮原子和硼原子所構(gòu)成的晶體?;瘜W(xué)組成為43.6%的硼(B)和56.4%的氮(BN),具有四種不同的變體:六方氮化硼(H-BN)如圖3、菱方氮化硼(R-BN)、立方氮化硼(C-BN)和纖鋅礦氮化硼(W-BN)。其中六方氮化硼材料具有:

  較高的機(jī)械強(qiáng)度、高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率,

  極低的摩擦系數(shù),

  良好的絕緣體,

  六方氮化硼可以在空氣中經(jīng)受住800的高溫,

  六方氮化硼可以制備成類似石墨烯的二維結(jié)構(gòu),稱之為白色石墨烯,具有類石墨烯的優(yōu)異性能。

因此,六方氮化硼是極佳的導(dǎo)熱膠填充材料,目前被廣泛地應(yīng)用于動(dòng)力電池導(dǎo)熱膠領(lǐng)域。

 

四、六方氮化硼導(dǎo)熱膠的應(yīng)用范圍

將六方氮化硼作為導(dǎo)熱膠的填料使用,充分利用六方氮化硼的高熱導(dǎo)率和高絕緣特性。為了適合各種環(huán)境要求,對(duì)可能出現(xiàn)的導(dǎo)熱問題都有妥善的對(duì)策,六方氮化硼導(dǎo)熱膠有非常多的應(yīng)用類型,其在動(dòng)力電池導(dǎo)熱膠的主要應(yīng)用范圍如下:

1.相變導(dǎo)熱絕緣材料

利用基材的特性,在工作溫度中發(fā)生相變,從而使材料更加貼合接觸表面,同時(shí)也獲得了超低的熱阻,更加順暢的進(jìn)行熱量傳遞,可用于填充模組間隙,向模組外部傳遞熱量。

2.熱傳導(dǎo)膠帶

用在發(fā)熱器件與散熱器之間的粘接,能同時(shí)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱、絕緣和固定的功能,能減小設(shè)備的體積,是降低設(shè)備成本的一項(xiàng)選擇。

3.導(dǎo)熱絕緣彈性橡膠

良好的導(dǎo)熱能力和高等級(jí)的耐壓,符合目前電子行業(yè)對(duì)導(dǎo)熱材料的需求,是替代硅脂導(dǎo)熱膏加云母片的二元散熱系統(tǒng)的最佳產(chǎn)品。該類產(chǎn)品安裝便捷,利于自動(dòng)化生產(chǎn)和產(chǎn)品維護(hù),是極具工藝性和實(shí)用性的新型材料。

4.柔性導(dǎo)熱墊

一種有較厚的導(dǎo)熱襯墊,專門為利用縫隙傳遞熱量的設(shè)計(jì)方案生產(chǎn),能夠填充縫隙,完成發(fā)熱部位與散熱部位的熱傳遞,同時(shí)還能起到減震、絕緣、密封等作用,這個(gè)就很適合電池模組內(nèi)部的應(yīng)用。

5.導(dǎo)熱填充劑

也可以作為導(dǎo)熱膠使用,不僅具有導(dǎo)熱的功效,也是粘接、密封灌封材料。通過對(duì)接觸面或罐狀體的填充,傳導(dǎo)發(fā)熱部件的熱量。圓柱電池模組是典型應(yīng)用了。

6.導(dǎo)熱絕緣灌封膠

導(dǎo)熱絕緣灌封膠適用于對(duì)散熱性要求高的電子元器件的灌封。該膠固化后導(dǎo)熱性能好,絕緣性優(yōu),電氣性能優(yōu)異,粘接性好,表面光澤性好。只是膠用量太大的話,電池包能量密度會(huì)被拉低。

 

五、影響導(dǎo)熱膠性能的因素

填充型膠粘劑的熱導(dǎo)率主要取決于樹脂基體、導(dǎo)熱填料及兩者形成的界面,而導(dǎo)熱填料的種類、用量、粒徑、幾何形狀,混雜填充及表面改性等因素均會(huì)對(duì)膠粘劑的導(dǎo)熱性能產(chǎn)生影響。

1.導(dǎo)熱填料的種類和用量

填料種類和用量均會(huì)對(duì)膠粘劑熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響。當(dāng)填料較少時(shí),填料被基體樹脂完全包裹,絕大多數(shù)填料粒子之間未能直接接觸;此時(shí),膠粘劑基體成為填料粒子之間的熱流障礙,抑制了填料聲子的傳遞,故不論添加何種填料都不能顯著提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。隨著填料用量的增加,填料在基體中逐漸形成穩(wěn)定的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),此時(shí)熱導(dǎo)率迅速增加,并且填充高熱導(dǎo)率填料更有利于提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。然而,填料的熱導(dǎo)率過大也不利于體系熱導(dǎo)率的提高。研究表明:當(dāng)填料與基體樹脂的熱導(dǎo)率之比超過100時(shí),復(fù)合材料熱導(dǎo)率的提高并不顯著。

2.導(dǎo)熱填料的粒徑和幾何形狀

當(dāng)填料用量相同時(shí),納米粒子比微米粒子更有利于提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。納米粒子的量子效應(yīng)使晶界數(shù)目增加,從而使比熱容增大且共價(jià)鍵變成金屬鍵,導(dǎo)熱由分子(或晶格)振動(dòng)變?yōu)樽杂呻娮觽鳠?,故納米粒子的熱導(dǎo)率相對(duì)更高;同時(shí),納米粒子的粒徑小、數(shù)量多,致使其比表面積較大,在基體中易形成有效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),故有利于提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。對(duì)微米粒子而言,填料用量相同時(shí)大粒徑的導(dǎo)熱填料比表面積較小,不易被膠粘劑包裹,故彼此連接的概率較大(更易形成有效的導(dǎo)熱通路),有利于膠粘劑熱導(dǎo)率的提高。

當(dāng)填料用量相同時(shí),不同幾何形狀的同種填料在基體中形成的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)概率不同,較大長徑比的導(dǎo)熱填料更易形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),從而更有利于提高基體的熱導(dǎo)率。

3.導(dǎo)熱填料的混雜填充

與單一粒徑的填料填充體系相比,不同粒徑大小、同種填料的混雜填充更有利于提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。同種填料不同形態(tài)的混雜填充比單一球形填料填充更易獲得高熱導(dǎo)率的膠粘劑。不同種類的填料在適當(dāng)配比時(shí),混雜填充亦優(yōu)于單一種類填料填充。這歸因于上述混雜填充均較易形成緊密堆積結(jié)構(gòu),而且混雜填充時(shí)高長徑比粒子易在球形顆粒間起到架橋作用,從而減小了接觸熱阻,進(jìn)而使體系具有相對(duì)更高的熱導(dǎo)率。

4.導(dǎo)熱填料的表面改性

無機(jī)粒子和樹脂基體界面間存在極性差異,致使兩者相容性較差,故填料在樹脂基體中易聚集成團(tuán)(不易分散)。另外,無機(jī)粒子較大的表面張力使其表面較難被樹脂基體所潤濕,相界面間存在空隙及缺陷,從而增大了界面熱阻。因此,對(duì)無機(jī)填料粒子表面進(jìn)行修飾,可改善其分散性、減少界面缺陷、增強(qiáng)界面粘接強(qiáng)度、抑制聲子在界面處的散射和增大聲子的傳播自由程,從而有利于提高體系的熱導(dǎo)率。

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